Indem die Temperatur die Ausrichtung der inneren magnetischen Domänen eines Magneten verändert, beeinflusst sie dessen Stärke. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Stärke zu, bei hohen Temperaturen ab. Das Magnetfeld wird schwächer und die magnetischen Domänen verlieren ihre Ausrichtung, weil sich die Atome des Magneten beim Erwärmen stärker bewegen.
Durch die Stabilisierung der Ausrichtung dieser Domänen kann das Abkühlen eines Magneten jedoch dessen Stärke erhöhen. Die Definition der Curie-Temperatur, die Auswirkungen von Wärme auf die magnetische Stärke und das Verhalten bei der niedrigsten Temperatur werden im Abschnitt darüber behandelt, wie sich die Temperatur auf Magnete auswirkt.
Was ist die Curie-Temperatur?
Die Curie-Temperatur (Tc) ist der Punkt, an dem ein magnetischer Stoff alle seine magnetischen Eigenschaften verliert.
Die Curie-Temperatur, die die Höchsttemperatur angibt, bei der die Ausrichtung magnetischer Momente gestört werden kann, ist ein Maß für den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Temperatur. Die Benennung dieser Temperatur wird dem Physiker Pierre Curie zugeschrieben.
Zum Beispiel:,
- Ein Neodym-Magnet hat etwa 310 °C.
- Ein gebratener Magnet hat etwa 450 °C.
- Samarium-Kobalt-Magnet: etwa 750 °C
- ~880 °C für Alnico-Magnete
Wenn ein Magnet seinen Curie-Punkt erreicht, verliert er seine Eigenschaften; durch Abkühlen wird er nicht wieder stärker.
Wie beeinflusst Kälte Magnete?
Im Allgemeinen erhöhen niedrigere Temperaturen die magnetische Stärke, weil sie die Bewegung der Atome verlangsamen und dadurch die Wiederherstellung der Ausrichtung unterstützen. Bei extremen Temperaturen können Magnete jedoch spröde werden, typischerweise wenn sie aus Materialien wie Neodym bestehen.
Supraleitende Magnete werden in Laboren häufig bei kryogenen Temperaturen betrieben. Tatsächlich sind die meisten Magnete bei niedrigeren Temperaturen etwas stärker und stabiler; die Magnetkraft nimmt allmählich ab, wenn die Temperatur unter 125 °C sinkt.
Wenn die Temperatur auf 196 °C sinkt, steigt die magnetische Stärke auf 85 bis 90 Prozent.
Wie beeinflusst Wärme Magnete?
Magnetische Domänen, bei denen es sich um kleine Bereiche miteinander verbundener Atome handelt, verlieren aufgrund der thermischen Energie bei steigender Temperatur ihre Ausrichtung. Dadurch nimmt die magnetische Stärke allmählich ab. Magnete können ihre magnetischen Eigenschaften kaum verlieren, wenn die Temperatur zu stark ansteigt.
Der Vorgang ähnelt ein wenig dem Schmelzen von Eis durch Wärme. Sobald ein bestimmter Punkt erreicht ist, lässt sich die Veränderung nur schwer umkehren. Wärme bewirkt, dass sich die Moleküle des Wachses schneller und mit höherer kinetischer Energie bewegen, wodurch sie regelmäßiger werden.
Bei steigenden Temperaturen beginnen diese Moleküle, ihre Ausrichtung zu verlieren, bis ihre Enden entgegengesetzte Ladungen aufweisen und in einer käfigartigen Anordnung nicht mehr aufeinander ausgerichtet sind. Ein Magnet kann nach dem Abkühlen seine ursprüngliche Funktion wieder aufnehmen, sofern die ihm zugeführte Wärme unter seiner maximalen Betriebstemperatur bleibt.
Unterschiedliche Magnetwerkstoffe reagieren unterschiedlich auf Temperatur
Unterschiedliche Magnete zeigen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken ein unterschiedliches Verhalten. Ihre Reaktion wird durch die innere Kristallstruktur und die Zusammensetzung der Stoffe bestimmt. Wir untersuchen die Reaktion der am häufigsten verwendeten magnetischen Werkstoffe auf Temperaturschwankungen.
Alnico
Zahlreiche Verbraucher- und Industriegeräte sind auf Alnico-Permanentmagnete angewiesen. Alnico-Magnete werden unter anderem in Kuhmagneten, Wanderfeldröhren, Elektromotoren, Tonabnehmern für E-Gitarren, Mikrofonen, Sensoren und Lautsprechern eingesetzt.
Seltenerdmagnete werden derzeit in vielen Gegenständen eingesetzt, da sie ein hohes BHmax und ein starkes Magnetfeld (Br) erzeugen können, was eine Miniaturisierung der Gegenstände ermöglicht.
SmCo
Ein bekanntes Merkmal von Samarium-Kobalt-Magneten ist ihre außergewöhnliche Temperaturstabilität. Selbst bei Temperaturen bis zu 350 °C schwächen sie sich nicht wesentlich ab.
NdFeB
Die stärksten Permanentmagnete auf dem Markt sind Neodym-Magnete. Allerdings sind sie besonders temperaturempfindlich. Hochentwickelte Typen (wie N42SH oder N52VH) können bis zu 230 °C eingesetzt werden, aber Magnetgüten verlieren oberhalb von 80 °C an Leistung.
Sie sind für extrem hohe Temperaturen nicht geeignet, da es bei einer Überschreitung ihrer Grenzwerte zu einer irreversiblen Entmagnetisierung kommt.
Ferrit
Ferritmagnete sind kostengünstig und weit verbreitet. Sie bestehen aus Eisenoxid sowie Barium oder Strontium. Ihre Magnetisierung nimmt bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts geringfügig ab.
Dennoch funktionieren sie bis zu 250 °C gut. Da sie jedoch einen Kompromiss zwischen Kosten und Zuverlässigkeit darstellen, werden sie bevorzugt für Anwendungen wie Lautsprecher und Kühlschrankmagnete eingesetzt.
~0.11% Verlust pro °C (reversibel unterhalb der maximalen Betriebstemperatur)
Wenn die Betriebstemperatur unterhalb des Maximums liegt, verlieren Magnete typischerweise etwa 0.11% ihrer Magnetisierung pro Grad Celsius. Glücklicherweise ist diese Beeinträchtigung reversibel, sodass der Magnet beim Abkühlen zu seiner ursprünglichen Magnetisierung zurückkehrt.
Überschreitet die Temperatur jedoch den angegebenen Bereich, ist ein Teil der Beeinträchtigung irreversibel. Die Wahl der geeigneten Magnetgüte für Ihre Anwendung ist entscheidend, um eine irreversible Entmagnetisierung zu verhindern.
Temperaturbereich nach Magnetgüte (z. B. VH/AH bis etwa 230 °C)
Jeder Magnet verfügt abhängig von seiner Güte und Materialzusammensetzung über einen spezifischen Temperaturbereich. Neodym-Magnete (NdFeB) werden beispielsweise in N95, N42, N35 und ähnliche Güten eingeteilt.
Jede Güte verfügt über einen maximalen Betriebstemperaturbereich. Im Allgemeinen reicht dieser bei speziellen Hochtemperaturtypen von 80 °C bis 230 °C, wie bei VH (sehr hoch) und AH (zusätzlich hoch). Werden diese Grenzwerte überschritten, kann die Magnetisierung irreversibel verloren gehen.
Was geschieht mit Magneten bei hohen Temperaturen?
Werden Magnete hohen Temperaturen ausgesetzt, sind zwei mögliche Auswirkungen zu unterscheiden.
Reversibler Verlust:
Bleibt der Erwärmungsvorgang unterhalb der maximalen Betriebstemperatur, ist die Magnetisierung reversibel. Das zeigt, dass das Material im erwärmten Zustand weniger magnetisch ist. Aufgrund der durch den Temperaturanstieg verursachten thermischen Bewegung verlieren die Domänen teilweise ihre Ausrichtung.
Ein Magnet kann seine Magnetisierung nach dem Abkühlen wiedererlangen. Vorausgesetzt, die Plattentemperatur bleibt unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts, der auch als Curie-Temperatur oder Curie-Punkt bezeichnet wird.
Bei mäßiger Erwärmung kann ein Magnet vorübergehend schwächer werden. Dieses Phänomen wird als reversible Beeinträchtigung bezeichnet.
Irreversibler Verlust (und dauerhafter Verlust)
Wird ein Magnet Temperaturen oberhalb seiner maximalen Betriebstemperatur und unterhalb seiner Curie-Temperatur ausgesetzt, kommt es zu einem irreversiblen Verlust der Magnetisierung.
Das bedeutet:
● Im kalten Zustand wird er schlechter funktionieren.
Wie heiß ist zu heiß für Neodym-Magnete?
Die stärksten Permanentmagnete auf dem Markt sind Neodym-Magnete (NDFEB). Daher sind auch sie temperaturempfindlich. Standardgüten wie N35 oder N52 beginnen typischerweise bei 80 °C (176 °F), ihre Magnetisierung zu verlieren.
Wenn die Temperatur den Grenzwert überschreitet, verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit des Magneten rapide und kehrt beim Abkühlen möglicherweise nicht vollständig zurück.
Ein Magnet erfährt eine dauerhafte Veränderung, wenn er seine Curie-Temperatur erreicht. Dies ist der Punkt, an dem er abhängig von der Materialzusammensetzung alle magnetischen Eigenschaften verliert. Bei Neodym-Magneten liegt dieser Punkt normalerweise zwischen 310 °C und 400 °C (590 °F und 752 °F).
Die maximale Betriebstemperatur hängt von der Form ab (Permeanzkoeffizient).
Die Form und Auslegung eines Magneten beeinflussen, wie viel Wärme er verträgt. Der Begriff “Permeanzkoeffizient” (Pc) bezeichnet diesen Faktor.
Sein Magnetfeld ist stabiler – ein Magnet mit einem höheren Permeanzkoeffizienten. Beispielsweise kann ein dickerer Zylinder seinen Magnetismus bei Erwärmung besser beibehalten.
Andererseits neigen dünnere oder kleinere Magnete mit niedrigeren PCO-Werten bei höheren Temperaturen eher zur Entmagnetisierung.
Hochtemperaturgüten (z. B. N42SH, N35AH)
Zur Lösung von Problemen mit der Wärmeempfindlichkeit wurden spezielle Neodym-Magnetgüten für hohe Temperaturen entwickelt.
Selbst unter rauen Bedingungen können diese Güten dank der Verwendung modifizierter Legierungen und Mörtel ihre starken magnetischen Eigenschaften beibehalten:
- Die Betriebstemperatur von N42SH beträgt 150 °C (902 °F).
- Temperaturen bis zu 200 °C (392 °F) können von N35EH bewältigt werden.
- 230 °C kann Temperaturen bis zu 35AH (446 °F) standhalten.
Obwohl diese Hochtemperaturgüten möglicherweise nicht so magnetisch leistungsstark sind wie Standardgüten, eignen sie sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen wie Elektromotoren und Fahrzeugsensoren, da sie ihren Magnetismus bei Erwärmung beibehalten können.
Es ist möglich, den Magnetismus auf seine ursprüngliche Stärke zurückzuführen, dies ist jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll. Ein irreversibler Verlust tritt nur einmal auf.
Fazit
Magnete werden stark von der Temperatur beeinflusst: Oberhalb des Curie-Punkts verlieren Permanentmagnete wie Eisen oder Neodym ihre gesamte magnetische Kraft. Ihre Feldstärke nimmt bei sinkender Temperatur zu.
Aufgrund ihrer verringerten elektrischen Leistung verlieren Elektromagnete schließlich an Stärke, wenn sie überhitzen. Supraleitende Elektromagnete werden daher durch Abkühlung auf sehr hohe
Felder verbessert.
Die Temperatur muss sorgfältig geregelt werden. Der Magnetismus bleibt erhalten, indem der Permanentmagnet von extremer Hitze ferngehalten wird. Starke Magnetfelder werden durch die Kühlung von Elektromagneten ermöglicht.
Durch die Nutzung von Wärme und Grenzflächen können neue magnetische Anwendungen in Wissenschaft, Technik und Medizin erschlossen werden.
Häufig gestellte Fragen
Wie wirkt sich die Temperatur auf Samarium-Kobalt-Magnete aus?
Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo) können aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wärmebeständigkeit bei Temperaturen bis zu 300 °C (572 °F) zuverlässig eingesetzt werden. Dank ihrer hohen Curie-Temperatur behalten sie ihre magnetischen Eigenschaften auch unter anspruchsvollen Bedingungen bei.
Bei Überhitzung können sie ihre Magnetisierung jedoch dauerhaft verlieren. SmCo-Magnete eignen sich ideal für Hochtemperatur- und Luft- und Raumfahrtanwendungen, da sie auch bei extrem niedrigen Temperaturen stabil bleiben.
Wie wirkt sich die Temperatur auf Samarium-Kobalt-Magnete aus?
Werden Neodym-Magnete auf über 80 °C (176 °F) erwärmt, nimmt ihre magnetische Stärke rasch ab. Die Ausdehnung bei erhöhten Temperaturen kann zu irreversibler Entmagnetisierung führen.
Da sich ihre magnetischen Domänen bei niedrigen Temperaturen jedoch stärker ausrichten, nimmt ihre magnetische Stärke zu.
Stimmt es, dass Wärme einen Magneten entmagnetisiert?
Tatsächlich verliert ein Magnet seine gesamte Magnetisierung, wenn seine Temperatur über die Curie-Temperatur steigt, da seine magnetischen Domänen ihre Ausrichtung verlieren.
Wie kann der warme Erdkern magnetisiert sein?
Ein Permanentmagnet ist nicht die Quelle des Erdmagnetfelds. Dieses entsteht vielmehr durch den Geodynamo-Effekt im geschmolzenen Eisen und Nickel des äußeren Erdkerns.
Obwohl der Erdkern für eine selbsterhaltende Magnetisierung zu heiß ist, erzeugt die Bewegung dieser elektrisch leitfähigen Materialien einen elektrischen Strom, der wiederum ein starkes Magnetfeld hervorruft.
Ben — Osenc
Ben verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Permanentmagnetindustrie und arbeitet seit 2019 mit Osenc zusammen. Sein Schwerpunkt liegt auf kundenspezifischen NdFeB-Magneten, magnetischem Zubehör und Magnetbaugruppen.
Er unterstützt Kunden dabei, Anforderungen an Werkstoff, Beschichtung, Magnetisierung, Prüfung und Produktion eindeutig festzulegen. Dadurch werden Missverständnisse in der Kommunikation und unnötige Iterationen bei der Musterfertigung reduziert.
